旧水泥混凝土路面提质改造沥青层加铺方案研究

展宏图

(1.公路交通安全与应急保障技术及装备交通运输行业研发中心，广东 广州 510420;2.华路交通科技有限公司，广东 广州 510420)

我国早期修建的水泥混凝土路面在经过多年的交通荷载和雨水作用后，路面出现不同程度卿泥、错台、脱空、断板等病害［1］，严重影响行车的安全性和舒适性。随着人民生活水平的日益提高，对出行的要求也随之提升，“白+黑”的复合式路面是目前国内外最常用的一种提质改造方案。

旧水泥混凝土路面加铺改造技术关键是如何消除旧混凝土板的影响和综合利用旧板的结构强度，针对这一特点，论文以京港澳国家高速公路(G4)湘潭至耒阳段提质改造工程为依托，从路面结构强度、经济性等方面分别对直接加铺、共振碎石化以及CRC+AC 复合式路面等3 种路面结构形式分别进行比较分析，比选出适用于潭耒高速公路重载交通环境的路面结构形式。

1 提质改造加铺方案

针对南方气候条件，结合潭耒高速公路重载交通环境，原有水泥路面设有传力杆的状况，施工经验和养护条件以及当地筑路材料的供应状况，考虑加铺改造结构方案的针对性、可行性、适应性和全面性，提出了3 种沥青层加铺方案。

1.1 加铺层结构方案

根据现有加铺改造工程的经验，并根据潭耒高速公路特点，提出直接加铺、共振碎石化以及CRC+AC 复合式路面3 种路面结构形式，如表1 所示。

表1 沥青加铺层结构方案

1.2 方案选用原则

为使高速公路旧水泥路面加铺改造工程适应交通荷载和环境的要求，具有整体性好、均匀稳定，且满足防反射裂缝、高温稳定性、水稳定性、抗滑性能、平整度好等使用功能，选取路面结构方案应考虑如下原则:

1)方案的全面、系统与适应性原则。结合潭耒高速公路水泥路面特点，交通荷载条件与自然环境，针对水泥路面损坏状况和程度，结构接缝传荷能力。采用的加铺改造方案，应充分考虑方案的适应性。

2)旧板充分利用原则。尽可能充分利用现有水泥路面，少废弃，减少旧水泥路面改造工程对周边环境的影响。

3)技术成熟、工期短与可行性原则。所提出的旧水泥路面改造方案技术上应成熟，结构上应简单、层次尽可能少，施工工艺不复杂、工序少，工期短，实施上应可行，并能满足湖南的交通与气候条件。

4)因地制宜原则。全面了解、掌握湖南省现有高速公路水泥路面的现状，结合潭耒高速公路水泥路面的技术状况(设有传力杆)，根据不同路面病害程度和结构强度提出针对性改造方案。

5)结构安全可靠原则。在满足交通量及道路服务功能的前提下，尽可能选择结构耐久、工艺成熟可靠的加铺路面结构方案。

6)兼顾全寿命周期成本原则。统筹考虑改造、养护、运营的全过程成本，降低工程造价，选取全寿命周期最经济的加铺路面方案。

2 方案技术比选

2.1 直接加铺沥青面层方案

潭耒高速公路旧水泥路面换板压浆加铺沥青面层结构，由于旧板厚度27 cm，且横向接缝设有传力杆，并有两层半刚性基层，旧板通过换板压浆综合处理后，仍是复合加铺结构的承重层，沥青面层主要起温度效应、减缓荷载应力水平和表面功能作用。

采用《公路水泥混凝土路面设计规范》JTG D40－2011 中的方法计算对旧混凝土层厚度进行计算和验算［2］。设计基准期为30 a，设计基准期内标准轴载累计作用次数2 748.170 万次，旧板弯拉强度按3.0 MPa，旧板厚度27 cm，考虑旧板的磨耗，按26 cm 进行计算结构应力:

结构综合疲劳应力满足30 a 设计基准期的要求，且温度应力较小，说明厚沥青加铺层对水泥面板温度梯度和温度翘曲应力影响较大，沥青面层的温度效益明显。

由于潭耒高速公路旧水泥路面板设置了横向接缝传力杆，相对于长潭、长益、长永、莲易高速公路水泥路面结构，减弱了沥青加铺层结构荷载作用下接缝处的竖向剪切应力与剪切破坏;温度变化下板的水平变形所造成的板接缝处的水平位移所产生的反射裂缝，在厚沥青面层下虽然存在，但大为缓和，但通过对潭耒高速公路旧水泥路面板接缝传荷能力的调查发现左右两幅超、行车道面板接缝传荷能力均较差，其中右幅评价为中及中以下的面板比例均超过95%，左幅甚至达到100%。其中，“次、差”的比例右幅超过20%，左幅超过34%，因此，此加铺结构仍需考虑横向接缝处反射裂缝的延缓问题。

本项目主要针对接缝处的竖向与水平变形问题，拟采取可靠的厚沥青面层方案，并对旧水泥混凝土板进行清缝、SBS 改性沥青(或其他性能优良沥青基灌缝材料)灌缝和道路专用防水卷材(或玻璃纤维防裂布、聚酯长丝土工布)贴缝，既延缓反射裂缝又防止雨水下渗至旧板结构内，同时加强旧板边缘结构内部排水。

2.2 共振碎石化方案

国内外防治反射裂缝的常用做法就是将旧水泥混凝土板进行破碎后再进行加铺。共振破碎工艺，克服了冲击打裂工艺对周边环境的影响和冲击、多锤工艺不适应软弱地基的情况［3，4］。共振碎石化以后的水泥混凝土面板作为加铺改造后路面结构层的承重层，其抵抗变形性能优于级配碎石的变形性能［5，6］。

振动锤并不在一个点上连续振动，而是快速向前移动的，使碎石化层上部的破碎颗粒较小，下部的破碎颗粒较大。这样的结构首先是小粒度可更好地消除反射裂缝，同时下部的较大的粒度相互紧密嵌锁，提高了结构的承载能力;其次是上部小粒度稳定密实有利于路面渗水的横向排除，下部的大粒度又可横向排水，防止雨水渗入下部结构。

旧水泥路面共振破碎加铺沥青面层结构，按沥青路面多层弹性体系模型［7］，采用软件HPDS－2011 进行承载能力计算。设计基准期为15 a，参照京港澳高速公路湖南耒宜段沥青路面设计弯沉Ld=18.51(0.01 mm)，反算设计基准期内标准轴载累计作用次数为3 578.69 万次，属特重交通。共振破碎后结构转变为柔性结构，路面结构类型系数Ab取1.6，则设计弯沉Ld=29.6(0.01 mm)。旧混凝土板共振层厚度考虑1 cm 的磨耗，取为26 cm。

现行的规范对碎石化后的回弹模量的参数的取值尚无明确的规定。由于共振破碎层与级配碎石性质相似，故本文将共振破碎层的回弹模量按现行规范中级配碎石要求以及实际工程经验，分别取共振破碎后、光轮压路机碾压过后、洒铺乳化沥青后3 种情况，取400、600、900 MPa 进行计算。AC－30 粗粒式沥青层的厚度，如表2 所示。

表2 不同回弹模量下AC－30 粗粒式沥青层的厚度

通过上述计算可看出，方案2 基本满足承载力要求。但旧板共振破碎后，如旧板结构承载能力下降幅度较大时，会使沥青面层底面的弯拉应力增大，在潭耒高速公路重载交通以及湖南多雨、气候条件恶劣等情况作用下，沥青加铺结构可能产生疲劳开裂。故对此路面结构应慎重采用。

2.3 CRC+AC 复合式路面结构

旧水泥路面加铺CRC+AC 复合式路面结构，已在湖南长潭高速公路(2003 年45 km)、长永高速公路黄花至永安段(2006 年8 km)、常吉高速公路新建试验路(2008 年1 km)、长益高速公路西半幅(2011 年58.3 km)中应用，取得了较好的效果。

连续配筋水泥混凝土路面在纵向配置连续钢筋，中间不设横向接缝，不仅提高了路面板的整体性，防止沥青面层的反射裂缝，并且连续配筋层作为路面结构的主要承重层，为面层提供了可靠的支持，使弯沉、车辙减少，并能相应减少柔性面层所需厚度。沥青面层主要作用为降低混凝土板的荷载应力与温度应力(温度梯度)，并对车辆冲击荷载起到缓冲作用，并加强了结构的防水作用，减少了雨水对混凝土板的影响。

CRC+AC 复合式沥青路面是弹性半空间地基上的连续配筋混凝土弹性薄板上覆沥青混合料弹性层的复杂结构，并承受交通荷载和环境温度变化多种因素作用，在结构分析与计算上，目前技术规范还没有明确的设计方法，并且该结构结构层次多，施工不方便、工期较长，工程造价相对较高，路面破坏以后很难修复。

CRC+AC 复合式路面是一种使用性能良好的结构，能充分满足重载交通条件下路面结构的耐久性要求，是我国重载交通高速公路长寿命路面结构的发展方向。

3 方案经济比选

根据湖南省造价站造价信息及项目部提供的投标价格清单，估算各种加铺改造方案造价如表3 ～表6。

表3 试验路方案造价及工期比较

表4 方案1 直接加铺沥青面层造价估算

表5 方案2 共振破碎加铺沥青面层造价估算

表6 方案3CRC+AC 复合式路面造价估算

对已投入使用的高速公路，尤其是国家高速公路网主干线，进行封闭式施工，将对人民的出行和运输造成影响，临时改变了人民的出行方式，造成社会的关注和不满，甚至造成沿线居民的生活方式的改变。目前潭耒高速公路改造采取半幅封闭式施工方式，需借道潭衡西高速公路分流，需绕行50 km 左右。对社会车辆造成直接经济损失，包括绕行时间、燃油费用、车辆机械损耗、车辆折旧、通行费等费用。如小车燃油按10 L/100 km 计，则多用5 L(7.2 元/L)，日交通量按3 万计，消耗108 万元，6 个月则为1.944 亿元。按照CRC+AC 复合式路面结构工期较直接加铺方案长1 个月计算，CRC+AC 复合式路面方案费用增加3 240 万。CRC+AC 方案需2 套施工设备，拌和场建设场地需增加1 倍左右，增加临时用地和费用，相比直接加铺方案需多投入1 000万元。

对方案1，2，3 不同路面结构使用性能进行调查，采用CRC+AC 复合式路面方案的湖南长潭高速公路通车近12 a，路面使用性能良好;采用直接加铺方案改造通车5 a 内路面状况一直较好，5 a 后反射裂缝增多，使用7 ～8 a 需要进行中修罩面维修。采用CRC+AC 方案可减少1 ～2 次路面大中修，故虽CRC+AC 方案前期投入较多，从路面全寿命周期看CRC+AC 方案较为经济。因此，需要在重载交通条件下延长路面使用寿命，为我省建设四化两型社会，为交通基本设施建设做出贡献。

直接加铺适用路况良好路段，共振方案适用断板和破碎板较多、路况较差路段。共振段如不破碎而按换板压浆直接加铺沥青面层方案，其旧板处治费用将较高，如换板20%、压浆60%，换板单价160.39 元/m2，压浆单价23.51 元/m2，则旧板处治平均费用48.91 元/m2。比直接加铺旧板处治费用至少增加28.41 元/m2，综合改造费用单价将达到339.96 元/m2，超过共振破碎方案，因此，对于旧水泥路面损坏严重、旧板处治费用较高时，交通量不大时宜采取破碎加铺方案、交通量大且重车多时宜采取CRC+AC 方案可靠。

4 结论

1)通过承载能力计算，直接加铺路面结构方案可承受设计年限内的累积当量轴次，其主要需考虑横向接缝处反射裂缝的延缓问题;旧板共振破碎后，如旧板结构承载能力下降幅度较大时，会使沥青面层底面的弯拉应力增大，在潭耒高速公路重载交通以及湖南多雨、气候条件恶劣等情况作用下，沥青加铺结构可能产生疲劳开裂。

2)加铺沥青面层前旧板处治费较高，如换板20%、压浆60%，直接加铺综合改造费用单价将达到339.96 元/m2，超过共振破碎方案。因此，直接加铺适用路况良好路段，共振方案适用断板和破碎板较多、路况较差路段。

3)CRC+AC 复合式路面是一种使用性能良好的结构，能充分满足重载交通条件下路面结构的耐久性要求，虽前期投入较大，从路面结构全寿命周期考虑该结构可降低路面大修和养护费用。

［1］黄琴龙，陈达豪，凌建明，等.共振碎石化在上海水泥混凝土路面改建中的成效［J］.长沙理工大学学报(自然科学版)，2008，5(2):103－106.

［2］JTG D40－2011，公路水泥混凝土路面设计规范［S］.

［3］徐柱杰，凌建明，黄琴龙.旧水泥混凝土路面共振碎石化效果研究［J］.中国公路学报，2008，21(5):26－32.

［4］眭封云.对碎石化改造旧水泥混凝土路面的探讨［J］.公路工程，2012，37(3):213－216.

［5］单双成，陈 满.废弃水泥混凝土道面在路面半刚性基层中再生利用的试验研究［J］.公路工程，2013，38(5):192－195.

［6］张洪刚，黄 慧，岳爱军.不同结构类型的旧路改造升级沥青罩面结构的力学响应研究［J］.公路工程，2013，38(1):129－132.

［7］JTG D50－2006，公路沥青路面设计规范［S］.